单层工业厂房抗震性能的设计与加固

【关键字】单层工业厂房；抗震设计；结构；承载力；加固

　　1 单层大空间工业厂房的结构体系

　　钢结构具有强度高、塑性韧性好、自重小、制作简便、施工工期短、节能环保等优点。随着经济的发展，单层钢结构厂房在工业建筑中得到广泛应用。采用单层工业厂房，生产工艺流程相对简洁，地面上可以放置较重的机器设备和产品，内部生产运输容易组织。但是在强烈地震作用下单层厂房有局部破坏、甚至倒塌现象的事故发生。

　　对于工业厂房的地震反应，在横向要取一排架或框排架作为计算单元；在纵向要取一个柱列，忽略结构的整体作用。换言之，该结构屋盖的水平刚度可以忽略不计，地震期间各排架、框排架和山墙都是独立振动而互不影响。

　　有学者根据单层厂房的实测数据，对单层厂房的空间整体工作与变形性质进行了研究，进而提出了空间振动理论。该理论为工业厂房抗震空间分析奠定了理论基础。根据实测数据所获得的结构厂房整体变形性质，我们可以提出一个简单的简化模型，“用屋盖将一系列排架和山墙联系起来而形成一个空间体系”，同时我们认为，从结构体系的整体来看，主厂房屋盖的横向变形是以剪切变形为主，在结构分析中，可以视屋盖为水平剪切粱，如果将横向排架所起的约束作用简化为沿纵向均匀分布的弹性约束，也就可以将数量较多的弹件支座用符合文克尔假定的弹性地基来代替。

　　对于单层大空间体系复杂结构，一般采用混凝土组合结构和钢结构等抗震设计、计算和构造以及抗震措施。针对大型工业主厂房结构的特点，重点内容有以下几个方面：钢筋混凝土结构着重解决高强度混凝土在主厂房结构中的应用及薄弱环节的抗震；组合结构要解决钢管混凝土、外包钢的节点及楼盖等组合结构及其节点连接的抗震性能；钢结构主要解决结构体系和连接节点设计构造及强震作用下钢结构的铰接和刚性节点特性；减震、耗能措施主要侧重于新型材料研制、消能支撑的抗震以及新型减震、消能材料及其在支撑中的应用等。

　　2 单层大空间工业厂房的抗震设计与加固要点

　　2.1 结构的选型及高度限制

　　2.1.1 钢结构适用的结构类型

　　（1）框架结构。梁柱之间均为刚性连接，从而形成刚构体系，可单独承担侧向力，即为纯框架结构，可用于不超过12层的结构或较低的高层钢结构，有较好的延性。但纯框架侧向刚度小，属柔性结构，故其层数和高度受到一定限制。多应用于多层及高层民用建筑和多层的工业建筑，建筑平面布置灵活，易于布置较大房间。

　　（2）框架——中心支撑结构。抗侧力构件的支撑体系为支撑构件与周边框架组成的支撑框架从而成为一个抗侧力结构。中心支撑宜采用交叉支撑，也可采用人字(V形)支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑。钢支撑可显著增强框架的抗侧刚度，减少侧向位移，是抗震设计的一个重要方面。

　　（3）框架——偏心支撑。(延性墙板)结构。特点是每对支撑与梁的交点问形成消能梁段，或是支撑与梁的交点和柱之间形成消能梁段，而每根支撑应至少有一端与框架梁相连。偏心支撑耗能梁段的设置部位决定支撑的布置。从大量的震害经验总结出，偏心支撑最好采用消能梁段位于横梁中部的支撑形式。此种结构的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段。

　　（4）内藏钢支撑钢筋混凝土剪力墙板结构。主要是以其中的钢板支撑承担水平力起抗震作用，外包钢筋混凝土在弹性阶段可以增加水平刚度。

　　（5）空间桁架结构。此结构的结点一般都看作圆球铰结点，连接圆球铰的杆件可以绕通过铰中心的任意轴线转动。常用于网架结构、塔架、起重机构架等。

　　2.1.2 高度限制

　　建筑适用的最大高度与结构类型、没防烈度等因素有关。《建筑抗震设计规范》中表8.1.1对钢结构房屋的最大高度作出相应的规定。另平面和竖向均不规则或建造于Ⅳ类场地的结构，适用的最大高度应适当降低。对于超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。

　　2.2 防震缝的设置

　　2.2.1 防震缝设置原则

　　多层钢结构的结构平面布置、竖向布置应遵守抗震设计中布置规则性的原则，一般可不设防震缝。GB 50011-2010建筑抗震设计规范明确规定体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝。

　　2.2.2 防震缝的宽度

　　当建筑物的高度不超过15m时，可设防震缝宽度(缝两侧建筑物外边缘之间距离)为120mm，高度超过15m时，6度，7度，8度，9度相应每增加5m，4m，3m，2m时，防震缝宜加宽30mm。由于钢结构侧向位移的规定限值较混凝土结构大，防震缝的宽度不小于相应钢筋混凝土结构的1.5倍。

　　2.3 钢柱脚的设计

　　2.3.1 钢柱脚的形式

　　根据对柱脚的受力分析，可大致分为铰接柱脚和刚性固定柱脚。刚性固定柱脚再分为外露式、埋人式、外包式。外包式一般用于单层厂房、低层框架或高层的裙房，可以按铰接或刚接设计。高层的柱底为刚接，抗震构造要求较高，超过l2层的高层钢结构宜采用埋入式柱脚，6度，7度时也可采用外包式柱脚。

　　2.3.2 钢柱脚的埋入深度

　　（1）埋入式柱脚：对轻型工字形柱，不得小于钢柱截面高度的2倍；对大截面H形钢柱和箱形截面柱不得小于钢柱截面高度的3倍。（2）外包式柱脚：将钢柱直接置于地下室墙或基础梁顶面。

　　2.4 楼盖结构

　　钢结构房屋的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或钢筋混凝土楼板，并应与钢梁有可靠连接。对不超过12层的钢结构房屋尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板，亦可采用装配式楼板。对超过12层的高层钢结构楼盖可采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板。但对于楼盖孔口较大如电梯间等削弱较大的楼板，在开洞旁应设水平支撑，以保证楼盖平面内刚度。

　　2.5 厂房的结构布置

　　由于体型复杂，特别或严重不规则的结构受力复杂，结构分析难度大，且结构设计不合理会导致地震时的严重破坏，因此厂房的结构布置应符合一定的要求。即：平面宜为矩形，立面宜简单对称；在结构单元平面内，框架、柱问支撑等抗侧力构件宜对称布置；质量大的设备宜设置在距刚度中心较近的部位。

　　3 结束语

　　单层工业厂房抗震设计时，应从提高厂房整体的抗震性能着手，使厂房在总体上满足抗震的要求，而不仅仅考虑局部的构件和部位。随着对地震作用研究的深入，对抗震设计的经验总结也越来越全面。同时，抗震设计也越来越受到重视。工业厂房的抗震设计发展前景将会很广阔。

　　参考文献

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